Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по педагогике
На правах рукописи
ТОЛЧИНА Светлана Ивановна
Обучение термодинамике студентов технического вуза на основе методов научного познания
13.00.02 теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень профессионального образования)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук
Челябинск 2012
Работа выполнена на кафедре физики, методов контроля качества и диагностики в ФГБОУ ВПО Тюменский государственный нефтегазовый университет Научный руководитель доктор педагогических наук, профессор Казаков Рустям Хамзич Официальные оппоненты Потапова Марина Владимировна доктор педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Челябинский государственный педагогический университет, заведующая кафедрой общей и теоретической физики Речкалов Виктор Григорьевич кандидат педагогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Южно-Уральский государственный университет, доцент кафедры общей и теоретической физики Ведущая организация ФГБОУ ВПО Омский государственный педагогический университет
Защита состоится 21 ноября 2012 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.295.02 при ФГБОУ ВПО Челябинский государственный педагогический университет по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, д.69, ауд. 116.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Челябинский государственный педагогический университет.
Автореферат разослан л октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор педагогических наук, профессор В.С. Елагина ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Актуальность исследования. Преобразование в социальной и экономической сферах жизни нашей страны вызвали кардинальные перемены в системе образования, в том числе высшего. Поиск путей решения актуальных проблем, связанных с совершенствованием профессионального образования, привёл к изменению содержания программ и технологий обучения в соответствии с требованиями новых стандартов (ФГОС ВПО).
Цели вузовского технического образования обусловлены потребностями общества в подготовке инженера, который способен соединить теоретические знания с практикой. В настоящее время обучать студентов основам фундаментальных наук, например, физике, невозможно без учёта текущих и перспективных задач социально-экономического развития общества.
Практические подходы к решению проблемы обеспечения качества высшего образования связаны с достижениями современного понимания содержания обучения, источников его обновления. Речь идёт о проектировании такого содержания образования, в частности, физического, которое соответствовало бы критериям и нормам положений Болонского процесса, обеспечивающим международную мобильность выпускников и студентов вуза.
Решение важнейших задач подготовки специалистов, профессионалов своего дела, во многом зависит от того, как осуществляются идеи фундаментализации и генерализации, обобщения и систематизации знаний и умений, способов владения ими на основе современных методов научного познания. Реализация этих задач требует создания такой методической системы обучения отдельным разделам курса физики, основу которой составляла бы взаимосвязь содержательной и процессуальной сторон обучения.
Вопросам построения методической системы в педагогической литературе уделяется достаточное внимание. Моделирование методической системы на основе принципов фундаментализации и генерализации рассматривали Г.М. Голин, Г.Г. Гранатов, Н.Е. Важеевская, Е.Ф. Ефименко, Н.А. Клещёва, В.В. Мултановский, Н.С. Пурышева, А.П. Усольцев и др.; на основе принципов преемственности и систематизации - С.В. Бубликов, В.И. Земцова, М.П. Ланкина, А.А. Петров, М.В. Потапова, С.А. Суровикина, В.И. Тесленко, Н.Н. Тулькибаева, А.В. Усова, А.А. Шаповалов и др.;
принципов информатизации - Д.А. Исаев, А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев, Р.В. Майер, Д.Ш. Матрос и М.Д. Даммер, Е.В. Оспенникова, М.И. Старовиков и др. Содержательные и процессуальные аспекты методической системы раскрываются в соответствии с эволюцией физического знания, базис которого составляют фундаментальные физические теории. Методологический аппарат этих теорий исследовали:
.Я. Зорина, Р.Х. Казаков, С.Е. Каменецкий, И.С. Карасова, В.Г. Разумовский, Ю.А. Сауров, М.С. Свирский и др.
Термодинамика как одна из фундаментальных физических теорий образует целостную, относительно самостоятельную систему знаний о реальных термодинамических процессах. Элементы структуры данной теории гносеологически связаны и упорядочены, они находятся в устойчивых логических отношениях. Целостность такой методической системы означает то, что её гносеологические свойства и функции неаддитивны по отношению к сумме свойств и функций элементов системы.
В классической термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в устойчивом или близком к нему состояниях. Такие системы получили название замкнутых или изолированных, в них проходят обратимые и линейные процессы. Однако, в природе классических замкнутых систем не существует, они все открытые, поэтому им свойственны другие закономерности. Термодинамика необратимых открытых процессов устанавливает взаимную связь объектов, исследует поведение систем на основе идей самоорганизации, которые являются более общими законами природы. Таким образом, термодинамика, как методическая система, со всеми присущими ей свойствами и гносеологическими функциями теории (объяснительной, развивающей, предсказательной) имеет свою область исследования, самостоятельную модель, понятийный аппарат, принципы, законы и другие компоненты сложной системы, относящиеся к фундаментальной физической теории.
Между тем, в известных нам исследованиях термодинамику рассматривают чаще всего как раздел молекулярной физики или как следствие молекулярнокинетической теории строения вещества.
Учитывая вышесказанное, следует отметить, что поиск путей разработки методики изучения термодинамики как методической системы, построенной на основе методов научного познания с позиции принадлежности ее к фундаментальной физической теории затруднен, так как понимание статуса термодинамики неоднозначно. Анализ научных публикаций по методологическим, дидактическим и методическим аспектам учебного познания по термодинамике как одной из фундаментальных физических теорий, собственный опыт обучения физике студентов технического вуза позволил выделить противоречия:
между непрерывным процессом обновления содержания образования в соответствии с социальным запросом общества, профессиональной направленностью образовательного процесса, значимостью его отдельных этапов в реализации преемственных связей и недостаточной ориентацией методической системы обучения физике на установление логической и методологической связей между содержательной и процессуальной сторонами обучения отдельным разделам курса общей физики, в том числе термодинамике;
между современными требованиями к содержанию физического образования, ориентированными на процессы фундаментализации и генерализации, преемственности и системности, информатизации и технологизации, и недостаточной разработанностью методической системы, реализующей эти направления в обучении физике в техническом вузе;
между потребностью практики в методологически обоснованной методической системе обучения основам термодинамики студентов технического вуза и существующими способами организации образовательного процесса по физике, мало использующими современные методы научного познания.
Необходимость разрешения данных противоречий определяет актуальность исследуемой проблемы, заключающейся в поисках ответа на вопрос: как обучать физике студентов технического вуза на основе методической системы, базис которой составляют методы научного познания? Проблема, требующая разрешения, определяет выбор темы исследования Обучение студентов технического вуза термодинамике на основе методов научного познания.
Объект исследования: процесс обучения термодинамике студентов технических вузов.
Предмет исследования: процесс обучения студентов технического вуза термодинамике в условиях современной методической системы, базис которой составляют методы научного познания.
Цель исследования: теоретически обосновать и разработать методическую систему обучения студентов технического вуза термодинамике в курсе общей физики на основе методологических и дидактических обобщений фундаментальной физической теории.
Гипотеза исследования. Обучение студентов технического вуза термодинамике может быть эффективным, если организовать его в условиях методической системы на основе следующих методов научного познания:
- гносеологического (от единичного к общему, а от него к предельно общему), представляющего систему методологических знаний (эмпирическое основание, теоретическое ядро, дедуктивное следствие);
Ц обобщения на основе системного анализа термодинамики как фундаментальной физической теории;
Ц моделирования логических связей структурных компонентов термодинамики, обеспечивающего познавательную, методологическую, развивающую функции обучения фундаментальной физической теории;
Ц наблюдения, эксперимента, способствующих активизации учебнопознавательной деятельности студентов, мотивации их учения.
В соответствии с целью исследования и его гипотезой были поставлены и решались следующие задачи:
1. Определить системные свойства, гипотетико-дедуктивную организацию знания равновесной термодинамики как фундаментальной физической теории и как непосредственного источника содержания физического образования в вузе.
2. Разработать структурно-функциональную модель методической системы обучения термодинамике на основе системных свойств фундаментальных физических теорий; обосновать выбор учебных заданий, структуру и содержание самостоятельной работы студента.
3. Составить эффективную модель управления учебным познанием студентов при изучении термодинамики.
4. Осуществить коррекцию структуры и содержания лабораторного практикума и практикума по решению физических задач по термодинамике на основе методов научного познания;
5. Провести педагогический эксперимент по оценке эффективности разработанной методической системы обучения началам термодинамики.
Теоретико-методологическую основу данного исследования составили: диалектика процесса познания, рассматривающая явления в единстве и взаимосвязи, причинной обусловленности; методологические аспекты организации учебного познания при изучении фундаментальных физических теорий; теоретические основы конструирования моделей, отражающих гносеологическую цепочку научного познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему); теория систем в исследовании структурно-функциональных моделей; закономерности процесса обучения фундаментальным физическим теориям как системы разноуровневых знаний (от эмпирического основания до теоретического ядра, а от него - к дедуктивному следствию); психологическая теория деятельности (потребности - мотивы - цели - действия - операции); теоретические положения дидактики высшей школы о фундаментализации и преемственности в обучении; концепции технологизации физического образования; теории компетентностного подхода в обучении; дидактические теории организации самостоятельной работы студентов на основе современных методов и средств обучения.
Методы исследования:
Теоретические методы. Анализ философской, психологической и методической литературы, отражающей проблемы формирования теоретических обобщений в виде понятий, законов, принципов, идей физической картины мира в физике, взаимосвязи систем научных знаний и методов познания, анализ содержания образовательных стандартов, учебных планов, программ, учебников и методических разработок по физике для вузов. Анализ организации процесса преподавания физики в практике работы вузов. Моделирование учебного процесса по термодинамике, анализ и обобщение передового опыта педагогов.
Эмпирические методы. Накопление научных фактов, их отбор, анализ, синтез и количественная обработка; личное преподавание в ТюмГНГУ;
наблюдение учебного процесса; устный опрос студентов, проведение письменных проверочных работ и практических занятий; анкетирование и тестирование студентов, беседы с педагогами и студентами; математическая обработка результатов исследования на основе поэлементного анализа письменных проверочных работ.
Научная новизна проведённого исследования:
1. Обоснована необходимость разработки методики поэтапного обучения термодинамике от эмпирического основания к теоретическому ядру и к дедуктивному следствию, реализующей гносеологическую цепочку познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему).
2. Осуществлено моделирование логических связей структурных компонентов термодинамики как фундаментальной физической теории в форме содержательного графа, обеспечивающего познавательную, методологическую и развивающую функции обучения.
3. Разработана методическая система, реализация которой обеспечивает эффективное обучение студентов технического вуза термодинамике в соответствии с этапами научного познания, подготовку их как конкурентоспособных специалистов. Система построена на основе ее структурно-функциональной модели и управленческой модели субъектсубъектного взаимодействия преподавателя и студента.
Совокупность входящих в систему методов и средств обучения активизирует познавательную деятельность студентов в процессе изучения термодинамики (одного из разделов непрофильной дисциплины - физики).
Теоретическая значимость результатов исследования состоит:
в разработке теоретических положений о подготовке студента будущего специалиста к изучению термодинамики на основе методов научного познания, обеспечивающих теоретическое и практическое осмысление прикладных знаний в определённых областях техники;
в разработке структурно-функциональной модели методической системы, включающей целевой, содержательный, технологический, диагностирующий компоненты;
в разработке модели и содержательных компонентов управления учебным познанием, включающим единичное (факты термодинамики), общее (начала термодинамики), предельно общее (взаимодействия линейных или нелинейных систем), а также процессуальных (форм организации учебных занятий, методов и приёмов, средств и форм обучения, видов учебно-познавательной деятельности).
Практическая значимость работы состоит во внедрении разработанных учебно-методических материалов в педагогическую практику, что позволяет повысить эффективность обучения физике в вузе.
По результатам исследования разработаны:
содержательный граф логической структуры термодинамики;
обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического вуза;
методическое пособие по изучению основ термодинамики для студентов технических вузов;
методические указания к виртуальным лабораторным работам Наблюдение фазовых переходов жидкость-газ и определение критической температуры Фреона-13 и Определение изменения энтропии;
методические указания по проведению обобщающих лекций и семинара по термодинамике.
Достоверность и обоснованность полученных результатов исследования обусловлены аргументированным отбором теоретических положений и принципов, отвечающих современным тенденциям развития образования; адекватностью выбранных методов целям и задачам исследования; положительными результатами педагогического эксперимента. Исследование опирается на принципы диалектического метода познания, достижения психолого-педагогических наук, концепцию теоретических обобщений в обучении, анализа системных свойств термодинамики.
База научного исследования. Практическая проверка разработанной методики осуществлялась в двух институтах Тюменского нефтегазового университета Технологическом институте и в институте Геологии и нефтегазодобычи.
Основные результаты исследования обсуждались на:
1) Международных практических конференциях (Москва МГОУ 2008,20гг.) 2)методологических семинарах и заседаниях кафедры ФМД ТюмГНГУ (Тюмень 2008-2012 гг.) Положения, выносимые на защиту:
1. Современные методы учебного познания, отражающие особенности научных методов, реализуют гносеологический и методологический аспекты диалектического метода научного познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему), нашедшие отражение в логике изучения термодинамики (от эмпирического основания к теоретическому ядру, а от него - к дидактическому следствию).
2. Содержательный граф логической структуры термодинамики как одной из фундаментальных физических теорий построен в соответствии с логикой учебного познания, системным подходом. Он обеспечивает выполнение следующих функций:
Ц познавательной, заключающейся в получении новых знаний и умений, способов владения ими на основе гносеологической цепочки учебного познания (от единичного к общему, а от него - к предельно общему);
- методологической, раскрывающей существенные связи между выделенными компонентами фундаментальной физической теории (основание, ядро, следствие);
Ц развивающей, обеспечивающей обучение в соответствии с взаимосвязанной цепочкой дидактического познания (от эмпирических методов к теоретическим, а от них - к практическим).
3. Структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике включает: целевой компонент подготовки конкуронтоспособного специалиста в области техники; содержательный компонент познания фактов, явлений и процессов термодинамики (единичное), начал термодинамики (общее); закономерностей взаимодействия живых или неживых систем (предельно общее);
процессуальный компонент основных видов учебно-познавательной деятельности (самостоятельная работа, наблюдения, эксперимент, обобщение и систематизация).
4. Разработанная на основе структурно-функциональной и управленческой моделей методическая система обеспечивает позитивную мотивацию учения студентов технического вуза; их активность в выполнении самостоятельной работы по решению физических задач, лабораторного эксперимента (натурного и виртуального); адекватность и сочетаемость форм, методов и приёмов, средств обучения логике учебного познания по термодинамике как фундаментальной физической теории;
позволяет студентам, будущим специалистам, теоретически и практически осмыслить прикладные вопросы термодинамики.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования, определяются цель, объект и предмет исследования, формулируются гипотеза, задачи, этапы исследования, его научная новизна, теоретическая и практическая значимость, приводятся положения, выносимые на защиту.
В первой главе Эмпирические и теоретические составляющие термодинамики в структуре учебного познания осуществлен методологический анализ содержательных компонентов термодинамики.
Обосновывается, что она представляет собой целостную, относительно самостоятельную систему знаний о закономерностях, раскрывающих сущность термодинамических процессов, и может быть в поэтапном обучении представлена как совокупность взаимосвязанных составляющих:
эмпирического основания, теоретического ядра, дедуктивного следствия.
Выявлено, что процесс учебного познания от эмпирического основания к теоретическому ядру и дедуктивному следствию осуществляется на основе гносеологической цепочки научного познания: единичное общее предельно общее.
Анализ содержательных компонентов термодинамики позволил заключить, что она имеет статус фундаментальной физической теории, имеющей свою область исследования, самостоятельную модель, понятийный аппарат, принципы, законы и другие компоненты этой сложной системы.
Обосновано, что обучение студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории целесообразно осуществлять на основе методической системы, включающей целевой, содержательный, процессуальный и диагностирующий компоненты. Методическая система обучения термодинамике как фундаментальной физической теории сконструирована на основе структурно-функциональной модели, которая раскрывает логические связи между компонентами методической системы, методами научного познания, видами учебно-познавательной деятельности, результатами сформированности профессиональных компетенций будущего инженера (рис.1).
Процесс управления учебным познанием студентов в условиях методической системы обучения основам термодинамики осуществляется по замкнутому циклу Деминга (планируй, исполняй, изучай, действуй). Один из компонентов методической системы, процессуальный, включающий организацию самостоятельной работы студентов, предполагает осуществление субъектЦсубъектного взаимодействия между преподавателем и студентом. В процессе этого взаимодействия преподаватель обучает термодинамике, реализуя методологию учебного познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему).
Таким образом, термодинамику как фундаментальную физическую теорию можно изучать на основе методической системы, включающей методы научного познания, а управлять им целесообразно в соответствии с разработанной моделью (рис.2).
Во второй главе Методика обучения студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории в условиях методической системы раскрываются содержательные и процессуальные компоненты учебного познания эмпирического основания, концептуального ядра и дедуктивного следствия термодинамики (табл.1). На основе содержательного графа логической структуры термодинамики как фундаментальной физической теории описывается методика ее изучения студентами технического вуза в соответствии с методологией учебного познания (рис 3). Такое описание структуры и содержания термодинамики обеспечивает реализацию познавательной, методологической и развивающей функций обучения разделу.
Изучение основ термодинамики начинается с выяснения эмпирического базиса этой теории - экспериментальных и теоретических фактов теории, послуживших основанием для ее разработки. Описание модели материального объекта термодинамики осуществляется в соответствии термодинамическим и статистическим методом учебного познания. Важное место в методике обучения основам термодинамики занимает раскрытие сущности теоретической модели, на основании которой формулируются начала термодинамики.
Компоненты методической системы обучения термодинамике целевой: подготовка конкурентно способного специалиста содержательный: обучение основам термодинамики Методы научного познания Методологические: Гносеологические: Дидактические:
Эмпирическое осно наблюдение,экспер единичное общее имент,моделирова вание теоретическое предельно общее ние,выдвижение,ги ядро дедуктивное потезы,обобщение следствие Процессуальный: технологические составляющие Виды познавательной деятельности: самостоятельная работа Семинар по Лабораторный Лекции и семи Семинары по решению практикум с испо нары по обоб обобще физических льзованием нату щению эмпири нию дедук задач рного и виртуаль ческого основа тивного прикладного ного оборудова ния и ядра следствия характера ния термодинамик термодинами и ки Диагностирующий: результаты обучения термодинамике Сформированность профессиональных компетенций будущего инженера Способность и готовность Способность и готовность Владение знаниями по использовать знания по использовать оборудование и основам термодинамики термодинамике на практике обрабатывать результаты в решении практических лабораторного исследования заданий Рис. 1. Структурно-функциональная модель методической системы обучения термодинамике студентов технического вуза Нормативные документы (ФГОС, Закон об образовании, рабочая программа).
P Цели обучения термодинамике преподавание субъект-субъектное взаимодействие учение Преподаватель Студент Управление учебным познанием при изучении термодинамики Методология учебного познания структуры и содержания термодинамики Единичное Общее Предельно-общее Факты, явления. Начала Взаимодействие эмпирические термодинамических термодинамики законы систем (линейных, термодинамики нелинейных) D Процессуальные компоненты учебного познания (формы организации учебных занятий, методы, формы, приемы и средства обучения). Виды познавательной деятельности (работа с лит-рой, приборами, реш. задач) S диагностирование А корректировка Рис. 2. Модель управления учебным познанием при обучении термодинамике студентов технического вуза Таблица № СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЙ ГРАФ ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ЭМПИРИЧЕСКОЕ ОСНОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ЯДРО ДЕДУКТИВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ Научных эмпирические факты Компоненты Основные Начала (постулаты) равновесной Объяснение научных эмпирических моделей понятия термодинамики фактов на основе начал материальных термодинам термодинамики объектов ики 1. Термодинамичес 1. Нулевое начало (вводит в структуру 1. Развертывание термодинамики Галилей (1597 г.) сконструировал термоскоп.
Параметры кая система как посредством введения термодина- теории функцию состояния температуру Эмпирический закон Бойля-Мариотта. (1662 г).
неструктурированны T). дополнительных функций состояния мической Дж. Блэк ввел понятие удельной теплоемкости, что й макроскопический 2. Первое начало (вводит в структуру системы (P, энтальпии H, свободной энергия F, положило начало калориметрии (1760 г.) объект, без указания теории функцию состояния - внутреннюю V, Cv, Cp) потенциала Гиббса G) с целью Лавуазье и Лаплас ( 1780) сконструировали материальной энергию U).
детального описания конкретных Функции калориметр и впервые экспериментально природы объекта Уравнение:
состояния термодинамических систем.
определили удельную теплоёмкость ряда веществ.
2. Эмпирический Q = dU + A.
термодинами 2. Термодинамическое описание Эмпирический закон Шарля (1787 г.).
идеальный газ.
3. Второе начало (вводит функцию ческой изотермы реальных газов.
Эмпирический закон Гей-Люссака (1802 г.) 3. Экспериментальн состояния энтропию S).
системы(T, 3. Термодинамика кристаллов.
Результаты опыты и наблюдения Румфорда по о реализованное Термодинамическое определение U, S) 4. Термодинамическое обоснование сверлению стволов пушек и идея о хаотическом приблизительное энтропии:
эффекта Джоуля-Томсона.
Функции движении молекул (1798 г.) равновесное 5. Термодинамика низких процесса (Q, Q Закон Дюлонга и Пти (1819 г.) о теплоемкости состояние dS =.
температур.
A) кристаллических тел T термодинамической 6. Термодинамика фазовых Опыты Джоуля по превращению механической 4. Третье начало системы.
переходов.
энергии во внутреннюю энергию (1841-1843 гг.).
4. Однородное limS 7. Теория тепловых двигателей в Результаты наблюдений Майера, приведшие к идее T рабочее тело в приближении квазиравновесных о законе сохранения энергии (середина 19 века.).
(теорема Нернста не вводит никакой тепловых двигателя.
процессов в рабочем теле.
Опыты Джоуля и Томсона по определению функции состояния, но осуществляет 5. Эмпирический 8. Обоснование и расчет тепловых зависимости внутренней энергии газа от объема численную определенность и, квазиравновесный эффектов в режущих инструментах.
(1852-1862 г.г.). соответственно, практическую процесс 9. Обоснование и расчет тепловых применимость всех функций состояния).
Опыты Клемана и Дезорма по определению эффектов в электрических цепях и Содержательное различие понятия адиабатической постоянной (1819 г.) радиотехнической элементной базе.
состояние системы, описываемое Результаты измерений теплоемкости тел при 10. Теплотехника как дедуктивное функциями состояния, и понятия температурах близких к 0 К (конец 19, начала следствие термодинамики.
процесс в системе, описываемое в).
теплотой и работой.
Методология учебного познания по термодинамике Эмпирическое основание Теоретическое ядро Дедуктивные следствия Эмпирические Эмпирическ Учебные методы познания Теоретическая модель Термодинамическое газовые законы, ая модель закон Дюлонга- описание реальных термодинам Пти, систем или систем, ической Совокупность N эмпирические Термодина Статистиче приближенных к ним системы неструктурированных частиц, обобщения мический ский Майера, которые хаотически движутся и эмпирические взаимодействуют друг с другом обобщения Джоуля, Замкнутые,изолиро Открытые, нелинейные системы T, U, S - Q, A - обобщения функции функции ванные, линейные опытов по состояния процесса систетемы системы измерению теплоемкости Первое начало термодинамики Второе начало термодинамики Третье начало термодинамики Внутренняя энергия U - функция от к нагревате холодиль Недостижимость абсолютного нуля как Самопроизвольный состояния термодинамической ля нику процесс следствие теоремы Нернста системы. Ее можно изменить совершив работу A или передав Идеальный цикл Карно КПД= системе некоторое количество Нулевое начало термодинамики теплоты Q Энтропия S - функция состояния Физический смысл: выражает закон (вводит функцию состояния равновесной термодинамической системы сохранения энергии в тепловых процессах системы - температуру T) S=const в обратимых S возрастает в Q = dU + A, процессах необратимых Q = U + A процессах Рис.3. Обобщающая схема изучения термодинамики как фундаментальной физической теории студентами технического вуза Содержательную сторону обучения невозможно осуществить без процессуальной. Показано, что проектирование видов познавательной деятельности на основе дидактических методов научного познании (наблюдения, эксперимента, моделирования, выдвижение гипотезы, обобщения) осуществляется на лекциях, семинарах, в лабораторном практикуме в условиях субъект субъектного взаимодействия (рис.1).
Таким образом, обучение студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории целесообразно осуществлять на основе взаимосвязи его содержательной и процессуальной сторон.
В третьей главе Педагогический эксперимент: задачи, организация, результаты сформулирована гипотеза педагогического эксперимента. Обучение термодинамике на основе разработанной методической системы может быть результативным, если эта система удовлетворяет следующим необходимым и достаточным условиям (требованиям). Она должна обеспечивать: 1) сочетаемость и взаимосвязь структурных и содержательных компонентов термодинамики как фундаментальной физической теории, 2) позитивную мотивацию учения студентов; 3) успешное выполнение таких видов учебно-познавательной деятельности как самостоятельная работа по решению физических задач, выполнению лабораторного практикума; 4) обоснованное использование методов учебного познания (наблюдение, эксперимент, выдвижение гипотезы, моделирование, обобщение).
На основе гипотезы педагогического эксперимента сформулирована основная его задача: проверить эффективность обучения студентов технического вуза термодинамике как фундаментальной физической теории в условиях методической системы. Задача эксперимента и гипотеза определили выбор критериев: 1) качества усвоения основ термодинамики, 2) успешного выполнения видов познавательной деятельности, 3) применения научных методов познания в изучении основ термодинамики, 4) позитивной мотивации студентов к изучению вопросов термодинамики.
Сформированность выделенных критериев осуществлялась на основе совокупности показателей: коэффициента полноты усвоения структурных элементов знания (КП), успешности выполнения отдельных видов деятельности (КУ1), успешности применения методов научного познания (КУ2), сформированности профессиональных компетенций студента - будущего инженера (КК).
Педагогический эксперимент осуществлялся поэтапно. На этапе констатирующего эксперимента (2007 - 2008 гг.) проверялось понимание студентами различий в эмпирических и теоретических методах научного познания, поэтапность изучения основ термодинамики на основе гносеологического метода познания (от единичного к общему, а от него к предельно общему).
На этапе поискового и обучающего эксперимента (2009 - 2010 гг.) проверялось качество усвоения отдельных вопросов термодинамики в соответствии со структурой учебного познания фундаментальной физической теории, умение обобщать элементы знания, уровень системности знаний. На этапе контрольного эксперимента (2010 - 2012 гг.) проверялась сформированность профессиональных компетенций. Результаты проведенного эксперимента представлены на рисунках 4, 5, 6, 7, 8, 9.
В заключении подведены итоги исследования, сформулированы его основные результаты и выводы, представлены перспективы дальнейшего исследования.
Обучение термодинамике на основе методов научного познания позволило решить теоретические и практические задачи исследования и на основании их сформулировать следующие выводы:
1. Термодинамика как один из разделов молекулярной физики имеет статус фундаментальной физической теории 2. Изучать термодинамику как фундаментальную физическую теорию в техническом вузе целесообразно на основе методов научного познания:
гносеологического, методологического, дидактического, реализующих цепочку учебного познания от эмпирического основания к теоретическому ядру, а от него к дедуктивному следствию.
3. Обучения термодинамике как фундаментальной физической теории студентов технического вуза в условиях методической системы предполагает выделение ее компонентов: целевого, содержательного, процессуального, диагностического.
4. Построение методической системы на основе функциональной модели позволяет отследить логические связи между содержательной и процессуальной сторонами обучения термодинамике и реализовать познавательную, методологическую и развивающую функции обучения.
5. Модель управления учебным познанием основ термодинамики позволяет раскрыть порядок организации учебно-познавательной деятельности студентов технического вуза на основе самостоятельной работы и методов научного познания.
6. Проведенный педагогический эксперимент показал эффективность разработанной методической системы обучения началам термодинамики.
60 50 40 30 20 10 0 Начало Конец Начало Конец отлично хорошо отлично хорошо удовлетворительно незачет удовлетворительно незачет Рис.4. Результаты диагностики системности Рис. 5. Результаты диагностики знаний о знаний студентов по термодинамике физических понятиях, законах термодинамики КП 0,0,0,40 0,0,0,20 0,0,0,0 Начало Конец Понятия Начала Следствие отлично хорошо При входном контроле удовлетворительно незачет По окончании курса Рис. 6. Результаты диагностики навыков в Рис. 7. Динамика изменения экспериментальной работе и оперирования коэффициента полноты усвоения познавательными действиями по содержания обучения термодинамике эмпирическому обобщению при изучении термодинамики Количество студентов, % Количество студентов, % Количество студентов, % 0,КП 0,0,0,0,0,0,0,0,Рис.8. Изменение коэффициента полноты усвоения содержания понятий термодинамики 0,КК 0,группа №0,0,группа №0,0,максимальный уровень 0,сформированности компетенций 0,ПК-ПК-ПК-Рис. 9. Результаты сформированности профессиональных компетенций групп №1 и №По теме исследования опубликованы следующие работы:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационного исследования 1. Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания нулевого начала термодинамики и понятия температуры / С.И. Толчина // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2011 г. - №4. - С. 143 - 150.
2. Толчина С.И. Методические проблемы раскрытия содержания первого начала термодинамики в курсе молекулярной физики вуза / С.И. Толчина // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2011 г. - №5. - С. 226 - 233.
Научные статьи и материалы выступлений на конференциях 1. Толчина, С.И. Методические проблемы раскрытия содержания понятия энтропии / С.И. Толчина // Доклады научно-практической конференции. - М.: МГОУ, 2008. - С. 61 - 63.
2. Толчина, С.И. Реализация содержательного и информационнорецептурного аспектов обучения физике в вузе / С.И. Толчина, Р.Х. Казаков, Н.П. Исакова, Л.Б. Половникова // Доклады научно-практической конференции. - М.: Издательство МГОУ, 2009. - С. 29 - 32 (авторство 30%).
3. Толчина, С.И. Формирование мотива к познавательной деятельности в рамках семинарских занятий по курсу физики / С.И. Толчина // Доклады научно-практической конференции. - М.: Издательство МГОУ, 2009. - С. - 64.
4. Толчина, С.И. Преемственность термодинамики и курса теплотехники вуза. Доклады научно-практической конференции / С.И. Толчина // - М.:
МГОУ, 2010. - С. 141 - 142.
5. Толчина, С.И. Формирование понятия теплоемкости, как собственной характеристики термодинамической системы у студентов вузов / С.И. Толчина // Материалы 18 научно-практической конференции. - Челябинск: Край Ра, 2011 г. - С. 211 - 212.